Die Schlafforschung unterteilt den Schlafzyklus in vier Hauptphasen. N1 bis N3 bezeichnen Nicht-REM-Phasen. Die vierte Phase ist der REM- oder Traumschlaf. Alle Schlafphasen lassen sich gut voneinander unterscheiden. Gehirnwellen, Anspannung der Muskeln, Augenbewegungen und Schlaftiefe sind die wichtigsten Merkmale.
Einschlafphase (Stadium N1): In dieser Phase bereiten sich Körper und Gehirn auf den Schlaf vor. Der Körper ist noch leicht angespannt. Im Gehirn treten vorwiegend Alpha- und Theta-Wellen auf, die geistige Entspannung und Schläfrigkeit signalisieren. Gelegentlich kommt es zu rollenden Augenbewegungen. Während dieser Phase ist es am leichtesten, jemanden aufzuwecken.
Leichter Schlaf (Stadium N2): Etwa die Hälfte der gesamten Schlafzeit verbringen Schläfer in diesem Stadium. Atmung und Herzfrequenz werden langsamer, die Körpertemperatur sinkt. Augenbewegungen sind nicht mehr zu erkennen. Eine Messung der Gehirnwellen zeigt vermehrt K-Komplexe und Schlafspindeln an.
Tiefschlaf (Stadium N3): Die Tiefschlafphase beginnt in der Regel 30 bis 40 Minuten nach dem Einschlafen. In diesem Stadium nehmen Schläfer äußere Reize kaum noch wahr. Während des Tiefschlafs erholt sich der Körper, und wichtige Regenerationsvorgänge laufen ab. Das Gehirn schaltet auf Deltawellen um. Es gibt Hinweise, dass dieses Stadium einen entscheidenden Einfluss auf die Verarbeitung von Erinnerungen und die Lernfähigkeit hat. Wer unvermittelt aus der Tiefschlafphase geweckt wird, wirkt meist orientierungslos und benötigt geraume Zeit, um richtig wach zu werden.
Traumschlaf (REM-Phase): Die Abkürzung REM steht für den englischen Begriff "rapid eye movement" und bezieht sich auf die charakteristischen schnellen Augenbewegungen in dieser Schlafphase. Im Vergleich zum Tiefschlaf sind Atmung und Herzfrequenz beschleunigt. Alle Menschen träumen während dieser Phase, unabhängig davon, ob sie sich nach dem Aufwachen an ein Traumgeschehen erinnern können oder nicht. Der REM-Schlaf ist entscheidend für die mentale Aufarbeitung des Tagesgeschehens und das Langzeitgedächtnis. Im REM-Schlaf tritt die sogenannte Schlafparalyse auf. Der Körper bleibt unbeweglich. Wer in dieser Phase aufwacht, kann ihn nicht wie gewohnt steuern. Dies ist ein natürlicher Schutzmechanismus, der verhindert, dass Träume zu heftigen, ungewollten Körperreaktionen führen.